Question

合成氨的温度和压强通常控制在约500℃以及20 MPa～50 MPa的范围，当进入合成塔的N₂和H₂的体积比为1∶3时，经科学实验测定，在相应条件下N₂和H₂反应所得氨的平衡浓度(体积分数)如下表所示：

而实际上从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%。

请回答下列问题：

(1)298 K下合成氨时，每生成1 mol氨气，同时放出46.2 kJ的热量，则该反应的热化学方程式为_________________________________________________。

在该温度下，取1 mol N₂和3 mol H₂放在一密闭容器中，在催化剂存在的条件下进行反应，测得反应放出的热量总小于92.4 kJ，其原因是______________。

(2)实际上从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数小于理论值的根本原因是_______________。

A.表中所测数据有明显误差

B.生产条件控制不当

C.氨的分解速率大于预测值

D.合成塔中的反应未达到平衡状态

(3)若工业生产中N₂和H₂按投料比1∶2.8的比例进入合成塔，那么转化率较大的应该是_________，采用此投料比的原因是______________，

若从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数仍为15%，则N₂和H₂的转化率之比是__________。

Answer 1

(1)根据题意，生成2 mol NH₃所放出的热量为46.2 kJ×2=92.4 kJ，该反应的热化学方程式为N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)   ΔH=-92.4 kJ·mol^-1。

由于合成氨的反应是一个可逆反应，1 mol N₂和3 mol H₂反应不可能完全转化为NH₃，所以放出的热量总小于92.4 kJ。

(2)从合成塔出来的混合气体中氨的体积分数小于理论值，其根本原因是反应没有达到平衡状态。

(3)若投料比为1∶2.8，相当于增加了N₂的用量，可以提高H₂的转化率。

N₂(g)   +   3H₂(g)  2NH₃(g)

起始量    1           2.8        0

变化量    x           3x         2x

平衡量    1-x         2.8-3x     2x

根据题意：解得x≈0.248。

N₂、H₂的转化率之比

答案：(1)N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)    ΔH=-92.4 kJ·mol^-1

合成氨的反应是一个可逆反应，1 mol N₂和3 mol H₂反应不可能完全转化为NH₃

(2)D        (3)H₂             增加相对廉价原料N₂的用量，提高相对贵重原料H₂的转化率，降低生产成本       1∶1.07